光腦（未來更加先進(jìn)的計算機(jī)）

光腦（未來更加先進(jìn)的計算機(jī)）

光腦 （未來更加先進(jìn)的計算機(jī)） 次瀏覽 | 2022.06.14 10:37:19 更新 來源 ：互聯(lián)網(wǎng) 精選百科 本文由作者推薦 光腦未來更加先進(jìn)的計算機(jī)

光腦，即光計算機(jī)（Photon Computer），將是未來更加先進(jìn)的計算機(jī)，利用光的傳播速度比電子速度快的原理制成。光腦具有超高速運(yùn)算速度。目前軍用光學(xué)CPU已被成功研制。與傳統(tǒng)硅芯片計算機(jī)不同，光計算機(jī)用光束代替電子進(jìn)行計算和存儲：它以不同波長的光代表不同的數(shù)據(jù)，以大量的透鏡、棱鏡和反射鏡將數(shù)據(jù)從一個芯片傳送到另一個芯片。

中文名

光腦

外文名

Photon Computer

即

光計算機(jī)

簡介

未來更加先進(jìn)的計算機(jī)

宣布

2006年

拼音

guangnao

速度

比普通的電子計算機(jī)快1000倍

簡介

美國哈佛大學(xué)的科學(xué)家在2006年宣布，用超低溫原子來“冷凍”并控制光線，就能構(gòu)成光學(xué)電腦的“心臟”——中央處理器（CPU）。光腦以比傳統(tǒng)電子設(shè)備快10倍的數(shù)據(jù)傳輸速度，一舉沖破了硅技術(shù)的速度極限。

這項研究是利用光線代替電子進(jìn)行信息處理的超速電腦開發(fā)方案的重大突破。作為全球“慢光”研究的權(quán)威之一，哈佛大學(xué)的Lene Hau教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組由于能有效降低光線速度而聞名世界。他們用一種含有超低溫鈉原子團(tuán)的設(shè)備，把光速由每秒30萬千米（真空中的光速）降低到自行車的正常騎行速度，甚至成功地“凍結(jié)”了光線。Hau說，這項技術(shù)可用來制作下一代光學(xué)電腦的存儲設(shè)備。

Hau最新的一個研究項目是直接針對光學(xué)電腦的相關(guān)技術(shù)開發(fā)。她通過計算證明，一種稱為玻色—愛因斯坦凝聚（BEC）的超低溫原子團(tuán)，可用于光線的“可控連貫數(shù)據(jù)處理”。在普通物質(zhì)中，光脈沖的振幅和相位都會逐漸變淡，儲存的一切信息隨之損壞。而Hau博士的“慢光”實驗研究證明，在BEC中光線的這些屬性都被保留下來，而這樣的設(shè)備終有一天能“進(jìn)化”成光學(xué)電腦的CPU。

隨著技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)電子計算機(jī)的體積和速度不斷逼近理論上限，“集成電路集成度每18個月翻一番”的莫爾定律終將難以為繼。不少科學(xué)家相信，總有一天光學(xué)電腦將憑借其更小的體積、更快的速度，帶來一場新的技術(shù)革命。

組成

光腦是由光導(dǎo)纖維與各種光學(xué)元件制成的計算機(jī)。它不像普通電腦靠電子在線路中的流動來處理信息，而是靠一小束低功率激光進(jìn)入由反射鏡和透鏡組成的光回路來進(jìn)行“思維”的，但同樣具有存儲、運(yùn)算和控制等功能。

計算機(jī)的“本領(lǐng)”大小，主要決定于兩個因素：一是計算機(jī)部件的運(yùn)行速度；二是它們的排列緊密程度。在電磁波里面，光比現(xiàn)在計算機(jī)內(nèi)部的工作頻段要高得多，可以攜帶更多的信息，且傳播損耗較小，這使得光通信系統(tǒng)吞吐率極高，能耗極少。另外，超大型集成電路中，一些片狀器件的線腳已達(dá)300多只，排列密度受到限制。而光束可以相互穿越，互不干擾，這使得科學(xué)家能夠在極小的空間內(nèi)開辟很多的信息通道。例如，貝爾實驗室的光學(xué)轉(zhuǎn)換器就可以做得很小，以致在不到2毫米直徑的器件中，可裝入2000多個通道。

從理論上講，光腦的運(yùn)算速度比現(xiàn)代的電腦還要快上千倍；其次，光腦器件還有信息量大的優(yōu)點，一束光可以同時傳送數(shù)以千計的通道的信息。然而，光腦的制造在理論上和技術(shù)上還有許多問題沒有解決。作為第一步，科學(xué)家利用光腦驅(qū)動能量小的特點，把電子轉(zhuǎn)換器同光結(jié)合起來，制造一種光與電“雜交”的計算機(jī)。

關(guān)于光腦,人們對它也許還很陌生,但制造光腦的嘗試,科學(xué)界早在上個世紀(jì)50年代就開始了,直到80年代后期可以說才有了決定意義的突破.上世紀(jì)90年代中期,世界上第一臺光腦已由歐共體的英國、法國、比利時、德國、意大利的70多位不同國籍的科學(xué)家研制成功.

優(yōu)越性無需散熱

多數(shù)人對電腦的深入原理并沒有太深了解，但是當(dāng)家里的電腦使用時間比較長，或者天氣較熱的情況下，機(jī)箱中往往就會傳來刺耳的噪音。其實讓你感到刺耳的噪音也同樣在煩惱著計算機(jī)科學(xué)家們。因為在電腦中，計算機(jī)速度越快、效率越高，熱量產(chǎn)生越大。高溫會阻礙電子元件的工作效率，所以熱量的問題就成為“電”腦速度提高的一個無法逾越的障礙。

“光”是解決這個問題的好辦法。首先光是冷的（特定頻段），如果在電腦里用“光”而不是電來傳遞信息，那么散熱的問題就會迎刃而解。同時，使用過寬帶上網(wǎng)的人也有體會，接入光纖的寬帶遠(yuǎn)遠(yuǎn)比接入其他線路的寬帶速度要快得多，這是因為光的頻率要比非可見光頻段的電磁波高得多，可以攜帶更多的信息。如果使用的是光腦，那么本身就會比電腦快上許多倍。

用光的明暗傳達(dá)信息

在今天使用的電腦不同，流通在電路中的是“電”，通過元件對電流“開”和“關(guān)”的控制來表達(dá)復(fù)雜的信息。而在光腦中取而代之的則是用光來傳遞信號，光的“明”和“暗”則可以代表信息的傳遞。當(dāng)然，首先你必須使得芯片可以發(fā)光，而芯片所采用的材料主要是硅，所以科學(xué)家們需要得到的是一束硅激光。

更小的計算機(jī)

日常生活的經(jīng)驗，當(dāng)幾束不同顏色的光相遇時，能夠相安無事、互不干擾的穿越，這樣不同頻率的光就可以攜帶不同的信息在同一條光纖通道中穿過，而電則不行。因此如果“電”腦能夠變成光腦，那么當(dāng)同時打開許多窗口玩游戲、聽音樂和聊天的時候，甚至讓一臺計算機(jī)同時肩負(fù)多種復(fù)雜工作的時候，也不會有急劇的速度變慢現(xiàn)象了。

對于計算機(jī)來說，越快代表越聰明，低散熱問題，就意味著可以更小。因此，當(dāng)用上光腦之后，才有可能將整個房屋的全部事務(wù)委托給一臺小盒子那么大的計算機(jī)控制，而不是像現(xiàn)在使用穿衣柜一樣的一排計算機(jī)來管理?？赡軙褂每苹闷袔е鴺O高速度自動行駛的汽車來緩解城市交通的壓力，而實際控制的也許是個比手掌大不了多少的計算機(jī)。

“光腦”漸近

與叫了幾十年的“電腦”相比，“光腦”似乎更時髦，而且充滿著科幻色彩。試想，計算機(jī)如果以光子傳遞信息，即使光線相交也互不影響，而速度卻至少提高三個數(shù)量級，突破電子邏輯門開關(guān)的速度極限。那時，再也沒有金屬導(dǎo)線的高延遲，沒有令人頭疼的高發(fā)熱量，計算機(jī)更小更快、傳輸信息量更大……諸多優(yōu)越性背后的技術(shù)支撐是硅光電子學(xué)。

英特爾將硅光電子學(xué)作為其戰(zhàn)略性技術(shù)開展研究，并多次公開發(fā)表最新研究成果。2008年年底，英特爾在《自然》上發(fā)表了在光電探測器方面的新突破，讓“光腦”再激千層浪，多久可以擁有它，五年、十年還是更久？一時間，“光腦”話題再度升溫。盡管完全“光腦”還不可行，但作為第一步，已經(jīng)看到科學(xué)家把電子轉(zhuǎn)換器同光結(jié)合起來，制造出光與電混合的新一代計算機(jī)的曙光。

為何鐘情硅光子

硅光子學(xué)喚起了太多人的熱情。硅光子學(xué)既是半導(dǎo)體光子學(xué)中的新興研究課題，也在發(fā)展中逐漸成為物理學(xué)、材料學(xué)、計算科學(xué)、通信學(xué)等多學(xué)科綜合的一門交叉學(xué)科。硅光電子學(xué)專門研究在硅及硅基異質(zhì)結(jié)材料中的光子行為和規(guī)律，并且非常注重硅光子器件。成熟的硅工藝為硅光子學(xué)提供了堅實的技術(shù)支持，加速了硅光子學(xué)的形成和發(fā)展。

一方面是現(xiàn)代微電子產(chǎn)業(yè)的基石——硅基半導(dǎo)體的發(fā)展接近極限，以英特爾為代表的半導(dǎo)體廠商都在尋找并引入高科技新材料，以實現(xiàn)延長基于硅的摩爾定律的壽命；而另一方面，光電子技術(shù)作為一項快速發(fā)展且前景光明的技術(shù)，吸引眾多國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注，他們致力于將光子技術(shù)和微電子技術(shù)結(jié)合起來。

硅光子器件將是繼集成電路之后最有應(yīng)用前景的實用元器件，這一創(chuàng)新將在后硅材料時代引領(lǐng)技術(shù)革命。中國著名的硅光子學(xué)研究專家、中科院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點實驗室研究員馀金中指出，成熟的硅光子學(xué)將在信息領(lǐng)域和社會生活中起到重要作用，特別是推動光計算發(fā)展。在未來十幾年重點攻關(guān)后，在信息功能材料及器件、傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理、激光技術(shù)、納米研究等項目推進(jìn)中，硅光子學(xué)具有廣闊發(fā)展空間。

發(fā)展硅基光子科學(xué)和技術(shù)的意義是如此重大，這就不難理解為何有一定科研實力的國家都把這一學(xué)科作為長遠(yuǎn)的技術(shù)發(fā)展目標(biāo)，這以美國最為突出。中國的863計劃、973計劃，也都把硅基光電子研究的相關(guān)課題列入計劃，中國科學(xué)院微電子研究所、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所光電子研究發(fā)展中心、浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室、吉林大學(xué)集成光電子國家重點實驗室等領(lǐng)先研究性機(jī)構(gòu)，都在這一前瞻性研究的硅基材料、器件實用化等方面取得了突出成果。

成本是個大問題

期待硅光子技術(shù)突破，主要就是要解決提高傳輸速度的問題，尤其是進(jìn)入單芯片萬億次計算時代后，這個問題就更加突出，與萬億次計算相匹配的還應(yīng)該有萬億次通信。這個問題在未來的高性能計算領(lǐng)域同樣存在，計算機(jī)需要找到一種更快的方法，以便在芯片內(nèi)部及芯片之間傳送大量數(shù)據(jù)，業(yè)界把突破通信瓶頸的希望寄托在硅光子通信上。

對“高帶寬、低延遲”的期待可以從光纖談起。目前，長距離傳輸由光纖通信實現(xiàn)，主要是城域和長距離傳輸，長度約是0.1km～80km。機(jī)架到機(jī)架也開始采用光纖傳輸，長度約是1m～100m。而從板卡到板卡、芯片到芯片，采取的還是導(dǎo)線傳輸。目前硅光子學(xué)研究就是要把光傳輸從長距離向超短距離傳輸擴(kuò)展。

從目前發(fā)展情況來看，持續(xù)改進(jìn)的技術(shù)只是問題的一個方面，另一個重要問題是成本。舉例來說，以銅導(dǎo)線連接為例，每年需要連接的器件數(shù)量在數(shù)十億以上，對光模塊的需求量非常大。而目前，多數(shù)光子器件都采用砷化鎵和磷化銦之類的特殊半導(dǎo)體制造，成本過于高昂、處理與封裝也十分復(fù)雜，很難用于單臺計算機(jī)甚至本地網(wǎng)絡(luò)。英特爾院士兼光子學(xué)技術(shù)實驗室總監(jiān)Mario Paniccia在接受記者采訪時說：“把光通信技術(shù)的優(yōu)勢帶到芯片級平臺上，不只要有技術(shù)，還要把這個技術(shù)做到低成本，這樣才可能把技術(shù)規(guī)?；?，這是研究的推動力?！?/p>

Mario Paniccia說的這項技術(shù)就是硅光電子學(xué)，其愿景是要研究使用廉價、制造工藝簡單的硅作為基礎(chǔ)材料開發(fā)光子器件，并在現(xiàn)有的晶圓工廠中，采用標(biāo)準(zhǔn)的批量生產(chǎn)的硅制造技術(shù)來實現(xiàn)。這樣帶來的優(yōu)勢就是能為光通信帶來規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。英特爾在開展這項研究的數(shù)年來取得了一系列成果，尤其是從2005年開始，逐漸進(jìn)入了成果收獲期。

一舉兩得的選擇

硅光子學(xué)從研究到最終產(chǎn)業(yè)化，是一項系統(tǒng)工程，英特爾把通過光傳輸方式收發(fā)數(shù)據(jù)的過程分解為以下步驟來實現(xiàn)：一是先解決光源問題，就是生成光束的激光器，要能發(fā)出連續(xù)光；二是解決傳輸路徑問題，就是光波導(dǎo)，就如同讓光在硅平臺上傳播的高速公路網(wǎng)絡(luò)；三是光調(diào)制器，把光束分成代表數(shù)字0和1的開/關(guān)信號，光的變化就攜帶了傳輸信息；四是光探測器，光傳輸?shù)侥康牡睾?，需要有光探測器探測到脈沖光信號，把附加在光上面的信息下載下來，重新轉(zhuǎn)換成電信號。

在這些技術(shù)問題都解決了之后，就是考慮生產(chǎn)與產(chǎn)業(yè)化的問題了，即實現(xiàn)低成本封裝和CMOS工藝批量制造?，F(xiàn)在基于硅的制造工藝已經(jīng)非常成熟，這能夠?qū)崿F(xiàn)低成本的大規(guī)模生產(chǎn)。而根據(jù)不同的應(yīng)用需求，還可以像搭積木一樣，對這些模塊進(jìn)行組合，以實現(xiàn)不同的功能。

發(fā)展前景

光腦，人們也許還陌生，但制造光腦的嘗試，科技界早在20世紀(jì)50年代就開始了，直至80年代中后期，才可以說有了決定性的突破。20世紀(jì)90年代中期，世界上第一臺光腦由歐共體的英國、法國、比利時、德國、意大利等國的70多名科學(xué)家研制成功，其運(yùn)算速度比電腦快1000倍?？茖W(xué)家們預(yù)計，光腦的進(jìn)一步研制將成為21世紀(jì)的高科技課題之一。21世紀(jì)將是光腦時代！

參考資料